毒物的分子效应与毒理学机制

1、第三章 毒物的分子效应与毒理学机制3.1毒物生物转化机制3.2毒物的分子效应3.3生物标记物与毒物分子的作用机制生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与,可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化生物转化生物活化生物钝化生物钝化作用：是污染物经代谢转化成无毒或低毒的产物。也被称为生物解毒/失活作用生物活化作用：是污染物的有害作用加强或者使一种惰性的化合物被转化成具有高生物活性的有害物质亲脂性毒物亲水性物质解毒过程生物转化过程激活过程毒物被活化或增毒的因素1.污染物的化学结构2.体内酶系统的差异3.受体的存在毒物在体内的生物转化，与体内的各组织器官的酶活性及

2、其相应的 物理、化学、生化、生理效应的综合作用密切相关。同一种物质即使经过相同的生物转化，在不同机体上所表现出来的生物效应各不相同。消除:对污染物的排泄或者生物转化,导致生物体内其含量的减少净化:指生物被放如入清洁的环境随时间消除污染物后,所测量到的污染物从生物体内的消失生物富集:是个体内吸收、生物转化和消除过程的净结果生长稀释:指一个正在生长的生物体内污染物浓度会因其可分布的组织的量的增加而降低.不属于消除的一部分(污染总量并未减少)体内屏障 存在于动物体内特定部位,对环境污染物的转运起着阻碍作用的特殊物质结构血脑屏障 对外源化学物的渗透性较小,对毒物进入中枢神经系统有阻止作用,许多物质即便

3、在血液中的浓度相当高也不能进入大脑胎盘屏障 胎盘具有在母体与胎儿之间进行营养物质、O2、CO2和代谢产物交换的功能，还具有阻止外援化学物由母体透过胎盘进入胚胎，保护胎儿正常生长发育的功能皮肤、血眼屏障、血睾屏障外来物的生物转化过程的两个阶段阶段代谢污染物一旦进入生物体内就会被生物转化，其过程包括4种反应，即氧化、还原、水解和结合反应通常将氧化、还原、水解称为外来化合物代谢转化的第一阶段即阶段代谢氧化反应微粒体混合功能氧化反应微粒体外氧化反应脂肪族羟化、芳香族羟化、氧化脱氨反应、N-脱烷基反应、 N-羟化反应、S-氧化反应 醇脱氢酶、醛脱氢酶、过氧化氢酶、单胺氧化酶脂肪族羟化还原反应还原酶酶促哺

4、乳动物组织内不活跃肠道细菌体内反应能力强脂类酰胺类含酯式键的磷酸盐类水解反应多种水解酶毒性降低阶段代谢又称结合反应，指进入机体的毒物在代谢过程中与某些内源性化合物或基团发生的生物合成反应在结合反应过程中需要辅酶和转移酶，并且消耗代谢能量毒物在代谢过程中可以直接发生结合反应，也可以经过阶段的氧化、还原或水解反应再发生结合反应根据结合剂不同结合反应分为：葡萄糖醛酸结合、硫酸结合、谷光甘酞结合、甘氨酸结合、乙酰基结合等主要类型葡萄糖醛酸结合反应硫酸结合反应通常，毒物在发生结合反应后，一方面可使其分子上某些功能基团失去活性以及丧失毒性，另一方面多数毒物经过结合反应后其极性（水溶性）增强，脂溶性降低，加

5、速排泄过程，故大多失去毒性或有所降低，并排出体外影响生物转化的因素物种差异与个体差异饮食营养结构年龄、性别等生理因素代谢饱和状态代谢酶的抑制与诱导经生物转化后,污染物的生物有效性发生改变，其改变程度根据不同的生物个体或个体的不同生命阶段而不同比较不同污染物的生物有效性应考虑生物个体差异和所选效应指标的一致性影响生物转化的重要因素生物有效性：指进入机体的污染物与受体结合，并产生生物学效应的能力，也是表征污染物的实际毒性生物可利用率：指某种来源的污染物可被吸收的程度比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”排泄 是外

6、源化学物及其代谢产物由机体向外转运的过程动物的排泄 经肾脏随同尿液排泄：肾小球过滤、肾小管重吸收、肾小管的排泌作用经肝脏随同胆汁排泄经肺随同呼出气排泄其它排泄途径:乳汁、胃肠、汗液、唾液、毛发、指甲植物的排泄 植物分泌：泌盐植物bioaccumulation effect bioenrichment effect biomagnification effect 有毒物质的不同效应生物富集效应:污染物从环境中包括水、空气和固相物质等所有来源,向生物体内,或者在某些情况下在生物体表的净积累生物放大效应:污染物在食物链中因营养级的提高其浓度逐级增高的现象生物浓缩效应超量蓄积现象外来物质在生物体内的蓄

7、积极限值与其吸收量和清除半衰期成正比,即吸收量越大,清除半衰期越长,则其蓄积极限值越高.当两个值足够大,生物体的蓄积极限值将会异常高.这种生物体能够蓄积异常高含量外源化学物的现象即一种污染物在生物群中的富集程度是污染物性质、生物以及生物和污染物相互作用的环境状况的函数。污染物性质决定其在环境中呈现出的化学形式及能够被吸收、生物转化和消除的程度图3 简单的生物富集消除结果毒物动力学：运用数学方法,定量的研究外来化学物的生物转化随时间的动态变化的规律和过程毒物动力学一室模型：指将机体视为单一的室,外来化学物进入机体后,能迅速均匀的分布在整个机体中单速率常数模型：描述当生物被转移到清洁环境中使其净化

8、污染物时污染物从体内的消除dC/dt=-KCC为房室内的浓度为速率常数K二室模型血液与脏器1室：dC1/dt=K21C2-(K12+K10)C11室：C1=D(-K21)/V1(-)e-t+D(K21)/V1(- ) e-t2室：dC2/dt=K12C1-K21C22室：C2=DK12/V2(-)(e-t-e-t)分布相 ;清除相3.2 污染物的分子效应污染物不同水平的生态效应污染物的毒激活毒激活:指将前致癌剂转化成致癌物的生物转化过程外源化学物在生物转化过程形成具有亲电子基团的中间代谢物,通过这些亲电子基团与生物大分子的亲核基团结合,产生致癌作用基础毒激活机制将化学性质稳定的化合物转变成有化

9、学反应性的代谢产物形成环氧化物形成N-羟基化合物（ N-羟基化作用）呼吸道中的代谢活化作用肾脏内的活化作用形成亚硝酸盐和亚硝胺化合物（胃肠道内的活化作用）致癌物的激活方式微生物酶的代谢活化方式对位硝基联苯 肠道细菌 对位氨基联苯 化学方式的代谢活化（无酶反应）毒物的转运毒物与靶分子作用毒物与靶分子作用毒性的产生与表现确定污染物对环境造成的危害程度,需要检测并衡量其引起的生物效应生物监测根据化学物质所能够引起的生物效应而进行的用生物来监测污染, 特定的生物效应可以表征某特定化合物及其有害暴露效应biomarker是生化、物理、形态、或组织学上的某种物质,用来指示毒物的暴露或者效应。biomark

10、er：是生物监测中用活着的个体、组织、体液、生理或生化改变来定量地作为重要污染物存在的指示或者即将出现的效应的早期预警系统生物标记物性质生物标记物应该在生物组织的高层次发生有害的显著效应之前能够被检测,具预警工具的价值理想生物标记物的检测应该是快速、经济、简单,适合广泛应用 理想生物标记物应该对单一毒物或者一组毒物具特异性这种检测应该服从于标准的质量控制/质量保证的实行毒物与生物标记物之间必须存在清晰的浓度-效应关系 理想的生物标记物应该能够被应用于广范围的警戒性物种上,以使之具有广泛的应用性在生物标记物变化与毒物有关的适应性降低之间可以建立起理想的相关性生物标记物的分类接受器生物标记物生物化

11、学生物标记物个体生物标记物生理学生物标记物暴露生物标记物效应学生物标记物现有主要的biomarker金属硫蛋白细胞色素P450单加氧酶应激蛋白或热冲击蛋白结合酶(转移酶谷胱甘肽)亚铁血红素和卟啉氧化应激酶和抗氧化酶3.3生物标记物与毒物分子的作用机制金属硫蛋白（MT）定义：是一组低分子量、可以与金属结合的蛋白质作用：是吸收、内部区域化、隔离、排泄必需（Cu、Zn）和非必需（Ag、Cd、Hg）金属。参与必需金属正常的代谢活动,在无有毒金属暴露时以基本水平存在,可以被多种物质以及物理化学条件所诱导金属硫蛋白（MT）特性：低分子量,高金属含量高半胱氨酸含量,无芳香族AA或组氨酸独特的AA序列,尤其是

12、半胱氨酸的位置Cys-cys cys-X-X-cys cys-X-cys 金属硫簇溢出假说：认为在超过了金属硫蛋白（MT）结合金属的能力之后,毒效将开始显现。未被结合的金属“溢出”,在有害作用的地点发生作用金属硫蛋白（MT）被用于多种暴露模式下金属污染的生物标记物金属硫蛋白（MT）与有毒金属的作用方式金属硫蛋白（MT）在生态毒理学中的作用MTmRNA被作为MT基因表达的指示物MT被作为解毒途径活化的指示物与MT结合的金属被作为解除毒性的金属的指示物在生态毒理学中,生物标记物的用途之一就是评价来自具有多种人为和自然应激源特点的环境中,特定污染物的暴露或毒性。 MT金属专一异构物的存在代表了此潜力

13、金属硫蛋白（MT）植物金属螯合蛋白金属可以与MT或相似功能的分子结合并且被隔离开来常见致癌物的代谢活化多环和杂环芳烃（PAH）有机卤化物（PCB、PBB、TCP、 PCP、二垩英类有机氯杀虫剂随着DDE的蓄积，加强了对酶活性的抑制DDD可抑制肾上腺皮质分泌激素，产生性别畸变有机磷杀虫剂有机金属（有机锡）环境因子对于毒物效应的影响温度效应湿度效应光照环境pH值氧化-还原电位Eh生物因子对于毒物效应的影响植物效应（种类、生态型、生长部位、阶段）动物效应（遗传因素、性别、生长发育阶段、健康状况、生活方式、营养条件）多因子联合效应（非生物因子、生物因子、多种因子交互）混合功能氧化酶MFO细胞色素P-4

14、50单加氧酶是与内质网膜结合的血红素蛋白,阶段反应中外来化学物质的氧化反应都与细胞色素P-450单加氧酶系统有关。MFO是通过改变外来化学物质的结构而影响其毒性,既可以产生某种特定的无毒化合物也可大大增强某化合物的毒性.MFO系统是由不同基因位点编码的具相同功能的酶的不同形式的集合.大多数动植物体内都有这种系统,它可以改变非极性有机化学物质的毒性(通常将其转变为更具极性进行降解的方式).许多PAH与卤化物都可诱导MFO产生活性.MFO常被用做有机化合物在生理生化水平上的生物标记物细胞色素P-450酶通过催化氧化反应合成并降解动物体内的内源化合物(类固醇,前列腺素,脂肪酸和其他生物分子)同时对于

15、外源污染物的毒理作用和排泄过程起到非常关键的作用.不同的P-450蛋白质决定不同的细胞,器官,个体以及种群会发生哪些酶促反应.PAH、含氯碳氢化合物、多氯联苯、二垩英、造纸厂废水中的有机化合物细胞色素P-450的诱导受许多因素的影响,包括环境温度,目标暴露毒物和生物体重、动物性别等等。当将这些可以改变它的因素考虑在内时,细胞色素P-450的诱导就是一个非常有效的生物标记物,被作为多种污染物的大量暴露的指示。应激蛋白细胞应激反应：指对作为细胞蛋白质的保护和再利用系统的关键蛋白质的有序诱导的反应。可以在热、缺氧、某些金属、外来化学物质、乙醇、砷化钠或者紫外线辐射的影响下引发。应激蛋白：指参与减少与

16、热、缺氧、紫外线辐射、砷、金属及某些外来化学物质等应激源有关的蛋白质损伤的一组蛋白质。蛋白毒性：指蛋白质损伤的毒性。分子伴侣：指结合蛋白质并指导其正确折叠和聚集的应激蛋白,其亦可防止蛋白质变性和凝聚,促使它们重新折叠为具有功能的结构主要应用在应激蛋白90、应激蛋白70上，是始终存在的，应激蛋白90在没有应激源时就有较高浓度；应激蛋白70正常条件下浓度较低具有显著蛋白毒性的物理和化学物质均可诱导应激蛋白。不同分子量的应激蛋白,应激蛋白90、应激蛋白70、低分子量热休克蛋白（LMW）、分子伴侣60（cpn60）和泛素产量的提高由变性的蛋白质引发,以保护、修复或引导细胞中的蛋白质分解应激蛋白识别变性

17、蛋白富含憎水的缩氨酸的暴露部分,并与之结合,在应激蛋白90和应激蛋白70的帮助下,变性或凝聚的蛋白质展开,然后重新正确折叠恢复功能。损伤后不能被恢复的蛋白质与泛素结合,泛素帮助它们移动到溶酶体以完成最后的分解作用方式各种应激蛋白浓度的增加被用于一般细胞应激反应的生物标记物不同的应激源所诱导的各种应激蛋白的程度不同，应激蛋白的诱导模式被用做该诱导反应的生物标记物谷胱甘肽转移酶是存在于细胞质和微粒体里的阶段酶,它通过结合作用把谷胱甘肽加到外来化学物质或其它代谢产物上。其诱导活性和结合产物的浓度被作为生物标记物。结合酶磺基转移酶，存在细胞质中，可以使硫酸盐与化合物结合，进行S转移UDP-葡萄糖醛酸基

18、转移酶，存在细胞质中，可以催化葡萄糖酸与亲电子的外来化合物及其代谢物结合，如萘的生物转化谷胱甘肽具有阶段结合作用底物和抗氧化剂的双重作用。氧化应激：指氧自由基（O2-，H2O2 和OH）对生物分子的损害氧化应激&抗氧化反应在有氧代谢过程中分子氧与产生能量的过程结合,是氧化应激反应产生的基础氧自由基可引起脂的过氧化,多链不饱和脂的氧化反应,导致膜功能紊乱许多环境污染物可通过生物体的氧化还原循环，使还原剂被氧化，同时产生氧自由基自由基可以与许多生物分子形成共价键;可以与膜的组分酶和受体共价结合改变其功能和结构;与蛋白质和其它生物分子的巯基反应造成损害,影响其功能，这些影响涉及核酸、膜脂、蛋白质（包括蛋白质金